基于第二代小波的电力线故障测距算法(ALS)

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实验仿真
试验中处理的电力线故 障数据来自于利物浦大学e－ 自动化试验室，该实验室由 英国国家电网公司 （National Grid Company， NGC）和美国国家仪器公司 （National Instruments， NI）与利物浦大学合建，是 英国目前唯一的e－自动化实 验室，也是该项目的合作方 之一。
其中LR和Ls分别表示故障点到变压器R和S的距离，Tr1，Tr2，Tr3 和Ts1，Ts2，Ts3分别是在R、S点观察到的瞬态波形的时间标签。
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典型的故障波形
R端故障行波产生的瞬态电流
瞬态电流局部放大
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行波故障测距系统框图
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方法 ALS MMG
指令周期数 优化前 47 2017 优化后 40
运算时间 优化前 313ns -TI DSPs Lab 22
结论
本设计在国际上首次将第二代小波提升方案应用于 电力线故障测距，提出一种新的自适应提升方法 (Adaptive Lifting Scheme, ALS)来有效地提取出在电 力线中发生故障时的高频瞬态波形的特征。 仿真结果显示了提出的自适应提升算法能够有效地 提取电力线故障发生的瞬态特征，可以用于准确的故障 测距，从而实现故障定位。 与传统测距方法相比，将ALS算法很适合应用到内嵌 有12位的A/D以及采样/保持电路的TMS320F2810，实时性 好，测距误差小，硬件投入少，价格相对低廉，具有很 大的实用价值。
d ′ = d − P (a ′) P ( a ′) = 1 / 2 ( a ′( n − 1) + a ′( n ))
细节信号d’ 只包含了高频分量，适合 用来提取瞬态特性
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ALS算法流程图
⎧Δ L＝ a ( n) − d (n − 1) ⎨ ⎩ Δ R = a ( n) − d ( n)
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行波故障测距方法
1978年Dommel和Michels首次提出将行波理论应用 于传输线路故障检测，行波故障测距装置根据行 动原理可分为A、B、C、D型四种，检测故障行波 传播时延是测距的关键。 由于技术条件和分析方法的限制，在80年代中期 行波法故障测距才逐渐开始使用。 小波变换具有时域、频域同时局域化的性质，在 处理非平稳、瞬态信号领域具有独特的优势。近 年来在行波故障测距方面得到广泛的应用。 本方案在传统小波的基础上，在国际上首次将第 二代小波用于行波故障测距，并取得了较好的效 果。
自适应第二代小波提升方案（ALS）
a(n) x(n)
Split
+ O
a'(n)
P
U (d )(n) 为自适应更新算子
U
d(n)
O
-
d'(n)
d (n −1) ⎧ ⎪ U (d )(n) = ⎨1/ 2(d (n −1) + d (n)) ⎪ d (n) ⎩
Δ L = a(n) − d (n − 1)
基于第二代小波的电力线故障测距算法(ALS) 及其在DSP TMS320F2810上的实现
深圳大学 TI-DSPs实验室 指导老师：纪震 教授 参赛队员：
史大昱 白 楠 强 乐 张锡珺 廖梓鑫 深圳大学2004级通信与信息系统硕士研究生 深圳大学2004级通信与信息系统硕士研究生 深圳大学2003级计算机科学与技术本科生 深圳大学2003级通信工程本科生 深圳大学2005级软件工程本科生
ΔL < ΔR ΔL = ΔR ΔL > ΔR
第二代小波提升方案框图
Δ R = a ( n) − d ( n)
输入信号x(n)被分为两项数据 流：偶信号a(n)和奇信号d(n)
奇信号d 由更新信号a’ 中包含的信息 预测得到 d ′
a ( n) = x ( 2n)
d (n) = x(2n + 1)
偶信号a由奇信号d 中包含的信息 进行更新 a′ = a ⊕ U (d ) 其中 ⊕代表平均算子 ( x ⊕ y )(n) = 1 / 2( x(n) + y (n))
DSP平台选择
选择依据： 1. 运算能力能够满足要求。 2. 整个系统尽可能的简单，有助于提高整体 的可靠性。 3. 成本尽可能的低。
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DSP平台选择
基于上述原则我们对TI几个系列的DSP进行了对比： （1）TMS320LF240x系列DSP
芯片价格低，具有较高的性价比。但是该系列的DSP的运算能力不满足 要求，不采用。
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试验环境
测试工具为CCS2.0，选择平台2810, 建立 一个工程进行测试。 下面举出两种不同距离、不同受噪声干扰 程度的故障波形仿真结果。距离分别为100公里 和10公里，受噪声干扰程度分为轻微、较强、 严重。 实验结果表明，该算法对100公里的故障数 据在较大的噪声干扰下都可以进行准确的时间 标签特征提取。但距离太近，如10公里的故障 波形，时间标签之间间隔太短，该算法无法正 确地进行时间标签特征提取。
Tr1
Tr 3
Tr 2
（a）输入波形 （b）输出结果
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100公里较强噪声干扰故障波形
信噪比为24.3dB
Tr1
Tr 3
Tr 2
(a)输入波形
(b)输出结果
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100公里严重噪声干扰故障波形
信噪比为20.1dB
Tr1
Tr 3
Tr 2
后，我们发现可以利用如下特性来改善算法的性能：
TMS281x DSP是32位处理器，累加器（A）的高16bit（AH）和低 16bit（AL）可以独立操作 待处理的采样信号是12bit
根据以上的特性，在不改变ALS算法效果的前提下，我 们对算法的结构进行了一些数据运算流程上的优化，尽 量让DSP能够同时处理两个采样点的数据。 3. 针对该算法应用在时间敏感的场合，利用用空间换取时 间的概念，在适当的位置重复某些代码以避免跳转指令 打乱程序流水运行，减少运算时间。 通过以上方法的改进使得运算性能有了相当的提 高，在原来处理一个采样点47个指令周期的基础上进一 步的减少到了40个指令周期。
（4）TMS320C281x系列DSP
TMS320F2810时钟频率为150MHz，完全满足1秒处理1M个采样的实时处理 要求，内含A/D，有采样保持电路，不需外接A/D转换器和接口芯片，128KB的 内部Flash存储器，不用外接存储器，最大限度地节省外围电路，大大改善 系统的稳定性。
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背景
高压输电线路是电力系统的命脉，当线路 发生故障后，要求迅速找到故障点并加以修 复，精确的故障测距装置能满足上述要求，因 此对故障测距进行研究有重大社会和经济效 益。 输电部门在架空送电线路运行规程中明确 规定“220kV及以上架空送电线路必须装设线路 故障测距装置”。 目前，高压输电线路故障测距方法主要有 两类：一是行波法，二是阻抗法，本算法则是 基于行波法的。
算法运算速度
应用CCS的profiler功能，得到TMS320F2810 DSP中处理函数processing 花费的指令周期为47个指令周期（6.67ns每个指令周期），处理1个点约 313ns，满足1秒中处理1M个点的实时处理功能。和MMG算法运算速度进行比 较，ALS算法有明显的运算速度优势。
(a) Tr1
(b) Tr 2 时间标签的识别
(c) Tr 3
ALS和MMG（多分辨率形态学梯度）都能够正确地提取瞬态特性。 MMG使用两个结构算子来检测瞬态信号的上升和下降沿，通常会在时间标 签周围产生一个双极峰。ALS的输出是一个明显的单极峰。这意味着极性 的特性有所改进，更易于判断。
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A类行波故障测距原理
故障点F（距R端80km处）产生的瞬态行波传输图
LR = (Tr 3 − Tr1 ) * L /((Tr 2 − Tr1 ) + (Tr 3 − Tr1 )) LS = (Ts 2 − Ts1 ) * L /((Ts 2 − Ts1 ) + (Ts 3 − Ts1 ))
（SCI和EI检索）
2. Lai Jiang, Zhen Ji, Qi Li,Q.H. Wu,Fault location in Power Transmission Lines Using a Second Generation Wavelet Analysis, IEEE/PES Transmission and Distribution Conference & Exhibition: Asia and Pacific,Dalian,China,August 14-18,2005,p 94,ISBN:07803-9114-4 （EI检索） Zhen Ji, Dayu Shi,Qi Li, Qinghua Wu, Noise Reduction and Confidence Level Analysis in MMG-based Transient Fault Location,IEEE/PES Transmission and Distribution Conference & Exhibition: Asia and Pacific,Dalian,China,August 14-18,2005,p 164,ISBN:0-7803-9114-4 （EI检索）
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100公里无噪声干扰故障波形
Tr1
Tr 3
Tr 2
（a）输入波形